摘要：根据生物质燃烧特点，研究生物质高效清洁燃烧技术，开发出了与生物质成型燃料配套的户用炊事炉具。炉具采用上吸式气化技术(逆流式气化)，气化产物直接燃烧。做到了结构简单、操作方便、成本低廉、热效率高、炊事火力强，污染排放量能达到北京市环保标准。为在广大农村推广使用创造了条件。
关键词：户用炊事炉：气化燃烧；机理；环保；节能
0 前言
生物质燃料是公认的可再生能源，也是人类利用最早、最多、最直接的一种传统能源。如何妥善处理农村秸秆问题，已成为解决环境污染，提高农民生活质量的重要课题。本课题属北京市农业科技项目，目的是对生物质成型设备和燃烧技术进行研究，以解决北京市农村地区生物质成型燃料及户用炊事炉具的技术瓶颈。2009年5月15日，北京市农村工作委员会组织专家对项目进行了验收。对生物质户用炊事炉的评价是：研发的生物质炉具成本低、效率高、结构合理，可在京效广大农村地区推广使用。项目通过大量研究与调研，结合实际工作所提出的农村生物质炊事用能模式，具有创新和实用性。
适合农村特点的物质户用炊事炉的推广，会促进农村秸秆能源利用的步伐，促进农村生态环境保护，促进农村经济可持续发展。
1 生物质炊事炉(鼓风)燃烧机理
采用上吸式气化技术(逆流式气化)，空气经一次风从灰室的炉栅处吸入，从下向上通过燃烧层，燃料从炉口顶部一次加入炉膛，亦可边燃烧边添料。在炉膛内沿气化高度，生物质气化过程主要分为三层：即热分解层、还原层、氧化层。各层次沿空间分布，没有明显层次划分的瞬时现象。划分成层带是为了更清楚的从理论上说明问题。(见右图)
热分解层：生物质燃料在气化炉上部被干燥，干燥好的原料与气化炉下部来的热气体作用进入燃料的热分解过程。生物质受热分解成三部分：即可燃气体CO、H2、CH4和CO2等，还包括焦油、水蒸汽和固定碳三部分。生物质的热解是整个气化过程中的关键部分。生物质燃料中的挥发份高，在较低的温度下就可释放出70％的挥发份。
温度是完成热分解的关键，温度高所完成热分解的时间短，在400～800℃范围内，升高温度有利气化过程。
还原层：二氧化碳还原的化学反应
CO2+C=2CO+161677KJ
这个反应是向右进行，是吸热反应。所以温度愈高，CO2的还原愈彻底，CO的形成会愈多。有效的CO2还原温度是在800℃以上，温度增加有利于进行还原反应。
氧化层：当生物质的热分解完成后，生物质中的挥发份生成可燃气体，剩下的是生物质中的固定碳。固定碳要转化为燃气，需要气化剂(主是是空气)和高温，在空气的配合下，当温度达到1200℃以上时会产生大量的CO2，同时放出大量的热量。
反应式为：C+O2=CO2－408567KJ
同时，还有一部分碳，由于供氧不足，会形成CO并放出热量：
2C+O2：2CO—246270KJ
这些热量是推动整个气化过程的必需条件。
2 生物质炊事炉的设计思想
当我们采用上吸式气化技术思想来设计炉具时，首先我们要考虑它的优、缺点。优点是结构简单、操作方便。缺点是上吸式气化方式比下吸式气化方式产生的焦油要多，在离开气化器前没有发生分解，在此情况下约20％～40％的能量存在于焦油中，不但能量利用低，还会造成环境污染，更有甚者会堵塞管孔，使燃气不能燃烧。在分体式的生物质气化炉的研究和推广中，遇见的就是这个问题。
解决办法是使生物质气化和燃烧一体化，在炉口上让气化产物不做任何处理进行直接燃烧。不冷却、不除焦油、不过滤、不洗涤、不除尘，叫简易气化，也叫半气化。这种处理方法既经济又环保。在生物质炊事炉燃气的出口，直接配上二次风，热燃气在炉口燃烧既节能又可使焦油燃烧掉。我们的第I型生物质炊事炉就是采用的这种方式，但由于没有采用风机配合，特别是氧化层燃烧，如前所述，它需要1200℃以上高温和大量的气化剂(空气)。没有鼓风就很难使氧化层完全燃烧，氧化层的热量大部分被损失了。实际上是因为固定碳未能气化燃烧，热效率只能排徊在35％左右。
我们在生物质炊事炉上加装微型风机后，实现了炉温和进风量可控，一、二次风可自由调节。在各个燃烧时段进行不同的配风，实现了固定碳的气化，对燃烧热效率的提高具有突破意义。
传统意义上的气化炉是连续不断加料的，各个燃烧层带的反应是同时进行的，不会出现很大的变化。生物质是一次向炉膛添满料。微开一次风，然后从炉口点火。炉膛烧热后开启二次风。炉口进入正常的气化燃烧后，气化进入热分解为主的第一阶段：即挥发份燃烧阶段。分解温度只要求400℃以上。此时可关闭或微启一次风。全开二次风，生物质就能正常的进行气化燃烧。此时若全开一次风，可使气化过程激烈化，造成热量过剩而带来的损失。当秸秆颗粒的挥发份逐渐减少，进入气化的第二阶段：即固定碳的氧化层的气化阶段。我们知道氧化层的气化燃烧需要1200℃以上的高温和足够的气化剂(一次风)，此时要因势利导，逐步开大一次风，关小二次风，使气化反应继续顺利进行。第二阶段的气化很重要，一般以为生物质挥发份气化后就完成了整个气化过程。实际上后面还有一个残留固定碳气化高峰，掌握不住这一点，热效率要损失10％～15％。实验表明：合理的操作能使热效率提高10％以上，使燃烧效率大于92％，使过剩空气系数、CO、NOx等的排放量都能达到理想结果。
3 生物质炊事炉(鼓风)的研制
在讲述燃烧机理时，我们已经讨论了生物质气化炊事炉怎样把生物质中的热量最大限度释放出来。当热能最大限度的释放后，我们必须进一步研究如何使释放出来的热量得到充分利用。
实际上，生物质能在气化炊事炉中不可能完全燃烧，燃烧后释放出来的热量也不可能完全得到利用。也就是说释放出来的热量只有一部分被利用，其余部分损失了。问题是在生物质气化炊事炉的研制中，我们要尽可能的减少热损失，目的还是为了提高热能的利用率。
在测算炉具热效率的反平衡中，其实我们炉具的热效率T1=100-(Q2+Q3+Q4+Q5+Q6)。Q2至Q6就是炉具各项热损失，如果我们能使各项热损失降到最小，实际上就提高了炉具的热效率(T1)。
现在我们一项项来研究如何降低各项热损失：
排烟热损失Q2：生物质在炉具中燃烧时，烟气离
开炉口的温度很高，就是说燃料输入的热量的一部分被烟气带走。我们在炉具设计中。为了减少排烟损失，采取了两方面的措施。一是扩大热烟气与炊具的受热面，一般的炉具，火焰只经过锅底，烟囱就把热烟气带走了。现在我们的炉口上设置了围火墙(见图一)，火焰不光要经过锅底，还要绕行经过锅壁，充分换热后，经导热槽下行，烟气才能进入烟囱。二是要控制过剩空气系数，过量的空气进入炉内，不但不能助燃，而且把热量带走。我们的炉具测试结果表明，过剩空气系数为1.71，排烟温度88℃，证明很好的降低了排烟损失。
化学不完全燃烧损失Q3：在生物质的燃烧反应中，完全燃烧后主要产生CO2、水蒸汽及灰渣。但在空气不足、碳与空气混合不均、炉膛温度不够等情况下，生物质不能完全燃烧，烟气中会产生CO等可燃气体，它们仍可燃烧并放出热量。如果这部分可燃气体随烟气带走，就会造成化学不完全燃烧损失。化学不完全燃烧损失等于烟气中的可燃气体与它们体积发热量的乘积之和。从检测的结果中可以看到我们炉具烟气中的CO的含量仅为0.04％，证明气化燃烧调整得很好，化学不完全燃烧损失小。
机械不完全燃烧损失Q4：由于生物质燃料中含挥发份高且着火点低，易于烧透，没有采取特殊的技术手段。
散热损失Q5：炉具表面的散热损失是指炉体和锅具向四周环境中散失的热量。两个相互接触的物体如有温度差，必定存在着热传导现象，热量总是自发的从高温物体传递给低温物体。特别是在炉膛高温燃烧区，由于内外温差大，热传导更为厉害。这一区域保温不好的炉具，热损失大，热效率低。我们根据炉体炉温的不同，对炉具进行分段保温，保温材料、保温厚度都有区别，目的是要尽量减少散热损失。
炉体吸热(蓄热)损失Q6：由于炉具的燃烧过程是个非稳态过程，特别是生物质炊事炉，做一次饭点一次炉，点炉时生物质燃烧放出的热量首先要传给炉体，使炉体的温度逐渐升高，最后到稳态。炉具从启动到稳态所吸收的热量称之为炉体吸热损失，又称炉体蓄热损失。此项损失一般较大，它的大小取决于炉体的结构、材质、重量、大小。特别是炉具的炉膛，一般做得很厚、很重。燃料在炉膛中燃烧，炉膛首先要吸收大量的热量，炉膛烧红后，才能上火，除了造成炉具的吸热损失大外，还影响上火速度。为此，我们为生物质炊事炉研制了一种质轻、壁薄的炉膛，壁厚仅5mm(一般为30mm)，目的是提高上火速度和减少吸热损失。且我们将整个炉具的重量控制在十公斤的范围内，一方面降低了成本，同时又减少吸热损失。
总之，我们围绕减少各项热损失着手，将损失降到最低，实质是提高热效率。热效率我们由最初的30％提高到40％，再提高到50％。目前处于国内领先水平。
4 生物质炊事炉(鼓风)的制作与成本
为了降低炉具的生产成本，使农民买得起，我们选择的生产工艺为：炉具设计为圆型，借鉴圆桶机械化生产的经验，采用薄钢板胀压成型，为了增强薄钢板的强度和防止钢板氧化，对炉桶采用搪瓷工艺。
炉膛制作：炉膛要经受1200℃以上高温，必须使用耐火材料制作，目前使用的耐火材料若要制作这种炉膛，厚度至少为30mm，缺点是这么厚的炉膛，炉膛吸收的热量会很大。做一餐饭如果使用一公斤生物质秸秆，热量仅14000KJ/kq左右，炉膛吸热量会占到10％左右，这种热损失很可惜。另外，炉膛太厚，挤压了保温层，使保温效果下降。我们研制了独特的薄壁炉膛，厚度仅5mm，为原厚度的六分之一，炉膛的吸热损失跟着下降六分之五。
保温材料的选择：散装的膨胀珍珠岩的耐火度高，保温性能好。且价格便宜，是很好的保温材料。但由于它质轻，体积小，有一个小孔就能不断的泄漏出来，必须密封好，不使其泄漏。主要是炉膛不能破损，因此我们研制了新型炉膛，可以大胆的用散装膨胀珍珠岩保温。提高了保温效果，降低了保温成本。
生物质炊事炉的成本：为了保证生物质炊事炉使用的安全，风机功率为3W，加装小型变压器，使电源变为12V直流电，成本为23元。炉体总重12kg，其余钢材、搪瓷、炉膛、保温材料等70余元，共计成本约100元/台。是目前生物质炊事炉400元/台的四分之一。要使农民不仅感到好用，还要用得起。
5 生物质炊事炉(鼓风)操作使用
使用燃料：各种生物质成型颗粒燃料。C8、C12的颗粒为最佳。玉米芯、小木块、树枝削片等亦能使用。因生物质燃料的灰熔点普遍偏低，燃烧后有些燃料(如玉米秸秆)可能产生结渣现象。但不会影响燃烧与气化，待燃烬并且炉膛冷却后，可用火钳将渣块从炉膛内夹出。
一次装生物质颗粒燃料1～1.2kg，可供四、五口之家做一顿正餐，燃烧时间70分钟左右，功率为2.3KW。配3W微型风机，每天炊事按3小时计算，每月耗电0.27kwh。装好料后用点火器将散料秸秆点着，再将秸秆颗粒点燃，慢慢开启一次风，待炉口烧热，开启二次风(整个时间约二分钟)，开始进入以热分解为主的气化阶段。因为主要是秸秆的挥发份分解，只需要400℃以上温度，气化稳定后，可关闭或微开一次风，可延长燃烧时间，提高热效率。燃烧40分钟之后，秸秆的气化将缓慢进入固定碳氧化层气化为主的阶段，需要1200~C的高温。所以要慢慢的开大一次风，关小二次风。如果以热分解为主的气化阶段将要结束，再开启一次风，炉膛温度已经不可能升到固定碳气化要求的温度，使固定碳不能进行气化燃烧，炊事炉的热效率至少要降低十个百分点，开启一次风的时间点很重要。
掌握好一、二次风开关调节的规律，是用好生物质炊事炉的基本条件。熟能生巧，烧几次炉子，经验就会慢慢积累。
炉子点火后，一分钟后就开始气化，二分钟后就能座锅，12～14分钟就能烧开5kg水。如果临时来客，感到火力不够，可通过加料口临时加料，一样可以气化，也不会冒烟。要调整火力的大小，亦可通过一、二次风进行调节，要大可大，要小可小。使用简单，操作方便。
6 生物质炊事炉技术指标
经北京京环科环境保护设备检测中心测试，该炉具各项指标均达到合同要求，详见下表：
6．1 实际指标与合同指标比较
6．2 与北京地方标准DB11/139-2007锅炉大气污染物排放标准比较
